CN112834368B - 一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，包括以下步骤：S1、对受电弓焊接试样进行加载，得到焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数；S2、根据疲劳裂纹扩展速率参数，采用等效应力法对受电弓典型载荷谱段进行等效处理，得到对应于恒幅载荷的等效载荷；S3、定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，建立受电弓上框架简化有限元模型；S4、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线和疲劳裂纹扩展寿命模型，实现疲劳裂纹扩展寿命的预测；本发明解决了缺乏有效方法预测受电弓裂纹疲劳寿命的问题。

Description

一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路受电弓故障诊断技术领域，具体涉及一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法。
背景技术
在高速电气化铁路中，安装于列车车顶的受电弓是列车的关键部件之一，通过与接触网的滑动接触实现电能的传输，保障了列车的正常运行。而疲劳与断裂是引起受电弓失效的最主要原因，如果受电弓出现裂纹，则会影响弓网稳定接触，危害行车安全。因此，很有必要对受电弓进行数值建模，准确获取受电弓的应力分布进行结构静力分析，并对其进行疲劳裂纹扩展寿命预测，防止受电弓发生破坏。
受电弓裂纹的产生是一个复杂的过程，不仅与器件的材料、应力作用形式及大小有关，还与器件的结构及工作环境有关。在弓网垂向接触压力的作用下，受电弓上框架主要以弯曲变形为主，因此在上框架尾部的焊缝区域出现了高应力区域，加之焊接过程中产生的残余应力以及由于焊趾缺口形成的应力集中，导致了疲劳裂纹出现。为此，提出了如改进焊接方式，采取新工艺，使用新材料，优化受电弓结构，减小静态接触力等改进措施，以提高受电弓的疲劳寿命。该类方法能有效地延长受电弓的疲劳寿命，但缺少了对于裂纹疲劳寿命预测的相关方法研究，导致很多时候无法精确估算受电弓疲劳寿命，保证受电弓在服役期间不会发生疲劳失效。
受电弓的疲劳寿命往往主要消耗于裂纹的扩展阶段，因此根据断裂力学的相关理论所建立一个描述裂纹扩展过程的真实模型尤为必要。该模型主要统计从初始裂纹长度扩展到临界裂纹长度所经历的载荷循环次数，精确估算受电弓疲劳寿命，保证其在服役期间不会发生疲劳失效。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法解决了缺乏有效方法预测受电弓裂纹疲劳寿命的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，包括以下步骤：
S1、对受电弓焊接试样进行加载，得到焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数；
S2、根据疲劳裂纹扩展速率参数，采用等效应力法对受电弓典型载荷谱段进行等效处理，得到对应于恒幅载荷的等效载荷；
S3、定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，建立受电弓上框架简化有限元模型；
S4、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线和疲劳裂纹扩展寿命模型，实现疲劳裂纹扩展寿命的预测。
进一步地：步骤S1包括以下步骤：
S11、根据金属材料疲劳裂纹扩展试验方法GB/T 6398-2000、疲劳蠕变测试的标准试验方法ASTM E647-11、金属材料弯曲力学性能试验方法YB/T 5349-2014和塑料绝缘材料的抗弯性能ASTM D6272-17，采用电液伺服疲劳试验机以L/3的长力臂四点弯曲加载方式对受电弓焊接试样进行加载，得到累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度，其中，L为受电弓长力臂的长度；
S12、根据累计加载次数和受电弓焊接试样的裂纹长度，得到受电弓焊接试样中焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数。
进一步地：步骤S11中得到累计加载次数和受电弓焊接试样的裂纹长度的具体方法为：
A1、通过显微镜观测受电弓焊接试样表面；
A2、在受电弓焊接试样表面未出现裂纹时，将观测间隔设置为十万次加载次数；
A3、在显微镜下观测到受电弓焊接试样的表面出现疲劳裂纹时，将观测间隔设置为五万次加载次数，记录累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度；
A4、根据受电弓焊接试样的裂纹长度的扩展，逐步降低观测间隔，记录累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度。
进一步地：步骤S3中建立受电弓上框架简化有限元模型包括以下步骤：
B1、在受电弓上框架铰接点处创建RP参考点；
B2、采用耦合约束将RP参考点铰接接触面上的节点的所有自由度耦合；
B3、根据受电弓上框架的对称结构和力矩平衡原理，计算受电弓上框架的集中力F和力矩M；
B4、根据节点的所有自由度耦合、受电弓上框架的集中力F、力矩M、受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，构建受电弓上框架简化有限元模型。
进一步地：步骤B3中集中力F的计算公式为：
F＝Fc/2
所述力矩M的计算公式为：
M＝FcL/2
其中，Fc为弓网接触力，L为受电弓长力臂的长度。
进一步地：步骤S3中定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸的具体方法为：
C1、定义受电弓的裂纹为表面裂纹，该裂纹将沿着管壁厚度方向上扩展直至穿透管壁，随后以穿透裂纹的形式沿管道环向方向扩展；
C2、根据观测得到疲劳裂纹萌生于受电弓上框架尾部的焊趾部位，将初始裂纹位置选取为上框架焊缝处的高应力区域；
C3、取初始表面裂纹的长度为2mm，取长宽比为1可得到初始表面裂纹在深度方向上的尺寸为1mm，得到受电弓结构初始尺寸。
进一步地：步骤S4中构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线的方法为：
D1、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，采用Franc3D计算受电弓上框架简化有限元模型的应力强度因子；
D2、根据裂纹前缘的应力强度因子分布，计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载次数的局部裂纹扩展距离；
D3、根据每一个节点在下一个加载次数的局部裂纹扩展距离，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线。
进一步地：步骤D2中计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载循环的局部裂纹扩展距离的公式为：
Figure BDA0002745468370000041
其中，Δai为第i个节点的裂纹扩展增量，Δachar为裂纹前缘某一特征点的局部裂纹扩展增量，ΔKi为裂纹前缘第i个节点的应力强度因子幅值，ΔKchar为特征点的应力强度因子幅值，m为Paris公式参数。
进一步地：步骤D2中计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载循环的局部裂纹扩展距离的公式为：
Δai＝ΔNC(ΔKi)m
其中，ΔKi为裂纹前缘第i个节点的应力强度因子幅值，C和m为Paris公式参数，即疲劳裂纹扩展速率参数，ΔN为一个加载循环中的加载次数，Δai为第i个节点的裂纹扩展增量。
进一步地：步骤S4中疲劳裂纹扩展寿命模型为：
Figure BDA0002745468370000051
其中，O为疲劳裂纹扩展寿命，a0为初始裂纹长度，af为终止裂纹长度，C和m为Paris公式参数，ΔK为应力强度因子变换范围。
综上，本发明的有益效果为：
(1)、本发明公开了一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，在已有裂纹扩展速率标准GB/T 6398-2000和ASTM E647-11的基础上，参考四点弯曲标准YB/T 5349-2014和ASTM D6272-17，采用四点弯曲的加载方式完成了大气、常温环境以及腐蚀环境下焊接试样的疲劳裂纹扩展试验，并基于试验结果得到了不同环境下焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数C和m。
(2)、基于疲劳裂纹扩展速率参数，本文利用等效应力法对受电弓典型载荷谱段进行等效处理，得到了对应于恒幅载荷的等效载荷。随后，定义结构初始缺陷的位置以及尺寸，本文利用有限元软件ABAQUS建立了受电弓上框架简化有限元模型。在该有限元模型的基础上，对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，利用断裂分析软件Franc3D完成了对受电弓上框架尾部疲劳裂纹的扩展分析，并最终完成了对常温、大气环境以及腐蚀环境下疲劳裂纹扩展寿命的预测。
附图说明
图1是一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法的流程图；
图2是铰接点耦合约束示意图；
图3是受电弓上框架简化有限元模型示意图；
图4是受电弓上框架疲劳裂纹扩展示意图；
图5是含表面裂纹的受电弓上框架焊缝区域Von Mises应力分布；
图6是上框架疲劳裂纹前缘应力强度因子分布；
图7是含穿透裂纹的受电弓上框架Von Mises应力分布；
图8是受电弓上框架裂纹长度与应力强度因子关系曲线；
图9是常温、大气环境循环次数N与裂纹长度a关系曲线；
图10是腐蚀环境循环次数N与裂纹长度a关系曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，包括以下步骤：
S1、对受电弓焊接试样进行加载，得到焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数；
步骤S1包括以下步骤：
S11、根据金属材料疲劳裂纹扩展试验方法GB/T 6398-2000、疲劳蠕变测试的标准试验方法ASTM E647-11、金属材料弯曲力学性能试验方法YB/T 5349-2014和塑料绝缘材料的抗弯性能ASTM D6272-17，采用电液伺服疲劳试验机以L/3的长力臂四点弯曲加载方式对受电弓焊接试样进行加载，得到累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度，其中，L为受电弓长力臂的长度；
步骤S11中得到累计加载次数和受电弓焊接试样的裂纹长度的具体方法为：
A1、通过显微镜观测受电弓焊接试样表面；
A2、在受电弓焊接试样表面未出现裂纹时，将观测间隔设置为十万次加载次数；
A3、在显微镜下观测到受电弓焊接试样的表面出现疲劳裂纹时，将观测间隔设置为五万次加载次数，记录累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度；
A4、根据受电弓焊接试样的裂纹长度的扩展，逐步降低观测间隔，记录累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度。
S12、根据累计加载次数和受电弓焊接试样的裂纹长度，得到受电弓焊接试样中焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数。
S2、根据疲劳裂纹扩展速率参数，采用等效应力法对受电弓典型载荷谱段进行等效处理，得到对应于恒幅载荷的等效载荷；
S3、定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，建立受电弓上框架简化有限元模型；
步骤S3中定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸的具体方法为：
C1、定义受电弓的裂纹为表面裂纹，该裂纹将沿着管壁厚度方向上扩展直至穿透管壁，随后以穿透裂纹的形式沿管道环向方向扩展，如图4所示；
C2、根据观测得到疲劳裂纹萌生于受电弓上框架尾部的焊趾部位，将初始裂纹位置选取为上框架焊缝处的高应力区域；
C3、取初始表面裂纹的长度为2mm，取长宽比为1可得到初始表面裂纹在深度方向上的尺寸为1mm，得到受电弓结构初始尺寸。
步骤S3中建立受电弓上框架简化有限元模型包括以下步骤：
B1、在受电弓上框架铰接点处创建RP参考点；
B2、采用耦合约束将RP参考点铰接接触面上的节点的所有自由度耦合；
B3、根据受电弓上框架的对称结构和力矩平衡原理，计算受电弓上框架的集中力F和力矩M；
F＝Fc/2
所述力矩M的计算公式为：
M＝FcL/2
其中，Fc为弓网接触力，L为受电弓长力臂的长度。
B4、根据节点的所有自由度耦合、受电弓上框架的集中力F、力矩M、受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，构建受电弓上框架简化有限元模型。
S4、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线和疲劳裂纹扩展寿命模型，实现疲劳裂纹扩展寿命的预测。
构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线的方法为：
D1、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，采用Franc3D计算受电弓上框架简化有限元模型的应力强度因子；
D2、根据裂纹前缘的应力强度因子分布，计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载次数的局部裂纹扩展距离；
利用断裂分析软件Franc3D完成了对受电弓上框架尾部疲劳裂纹的扩展分析，并最终完成了对常温、大气环境以及腐蚀环境下疲劳裂纹扩展寿命的预测。其具体过程如下：
根据裂纹前缘的应力强度因子分布计算裂纹前缘每一个节点在下一个循环的局部裂纹扩展距离，可采用两种扩展方式：
(1)固定步长扩展方式
计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载循环的局部裂纹扩展距离的公式为：
Figure BDA0002745468370000091
其中，Δai为第i个节点的裂纹扩展增量，Δachar为裂纹前缘某一特征点的局部裂纹扩展增量，ΔKi为裂纹前缘第i个节点的应力强度因子幅值，ΔKchar为特征点的应力强度因子幅值，m为Paris公式参数。
(2)固定循环次数扩展方式
计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载循环的局部裂纹扩展距离的公式为：
Δai＝ΔNC(ΔKi)m
其中，ΔKi为裂纹前缘第i个节点的应力强度因子幅值，C和m为Paris公式参数，即疲劳裂纹扩展速率参数，ΔN为一个加载循环中的加载次数，Δai为第i个节点的裂纹扩展增量。
D3、根据每一个节点在下一个加载次数的局部裂纹扩展距离，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线：
Figure BDA0002745468370000092
其中，N为应力循环次数，ΔK为应力强度因子变换范围。
疲劳裂纹从初始裂纹长度a0扩展到终止裂纹长度af的疲劳裂纹扩展寿命O可表示为：
Figure BDA0002745468370000093
现结合附图1-6对本发明作进一步说明。
假定受电弓疲劳裂纹从初始长度为2mm的表面裂纹扩展成长度约为70mm的穿透裂纹。
在已有裂纹扩展速率标准GB/T 6398-2000和ASTM E647-11的基础上，参考四点弯曲标准YB/T 5349-2014和ASTM D6272-17，采用四点弯曲的加载方式完成大气、常温环境以及腐蚀环境下焊接试样的疲劳裂纹扩展试验，并基于试验得到了不同环境下焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数C和m。得到在大气、常温环境下，焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数C为6.40×10-11，参数m为1.935；在腐蚀环境下，焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数C为4.45×10-10，参数m为1.958。
利用有限元软件ABAQUS分别建立受电弓上框架简化有限元模型，如图2与图3所示。
基于疲劳裂纹扩展速率参数，利用等效应力法对受电弓典型载荷谱段进行等效处理，得到对应于恒幅载荷的等效载荷幅值ΔF为92.14N。
采用Franc3D计算受电弓上框架简化有限元模型的应力强度因子，如图5至图7所示。当两侧裂纹的长度达到约7.5mm(总长度约为15mm)时表面裂纹基本已穿透管壁，这将导致I型应力强度因子急剧上升，计算终止时两侧疲劳裂纹的总长度约为70mm。
根据裂纹前缘的应力强度因子分布计算裂纹前缘每一个节点在下一个循环的局部裂纹扩展距离，采用固定步长扩展与固定循环次数扩展两种扩展方式进行扩展。得到裂纹前缘的扩展增量的基础上，更新裂纹前缘的位置，完成新的裂纹体网格的划分。循环得到裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线，如图8～10所示。

Claims (8)

1.一种受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对受电弓焊接试样进行加载，得到焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数；
S2、根据疲劳裂纹扩展速率参数，采用等效应力法对受电弓典型载荷谱段进行等效处理，得到对应于恒幅载荷的等效载荷；
S3、定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，建立受电弓上框架简化有限元模型；
步骤S3中建立受电弓上框架简化有限元模型包括以下步骤：
B1、在受电弓上框架铰接点处创建RP参考点；
B2、采用耦合约束将RP参考点铰接接触面上的节点的所有自由度耦合；
B3、根据受电弓上框架的对称结构和力矩平衡原理，计算受电弓上框架的集中力F和力矩M；
步骤B3中集中力F的计算公式为：
F＝Fc/2
所述力矩M的计算公式为：
M＝FcL/2
其中，Fc为弓网接触力，L为受电弓长力臂的长度；
B4、根据节点的所有自由度耦合、受电弓上框架的集中力F、力矩M、受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸，构建受电弓上框架简化有限元模型；
S4、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线和疲劳裂纹扩展寿命模型，实现疲劳裂纹扩展寿命的预测。
2.根据权利要求1所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、根据金属材料疲劳裂纹扩展试验方法GB/T 6398-2000、疲劳蠕变测试的标准试验方法ASTM E647-11、金属材料弯曲力学性能试验方法YB/T 5349-2014和塑料绝缘材料的抗弯性能ASTM D6272-17，采用电液伺服疲劳试验机以L/3的长力臂四点弯曲加载方式对受电弓焊接试样进行加载，得到累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度，其中，L为受电弓长力臂的长度；
S12、根据累计加载次数和受电弓焊接试样的裂纹长度，得到受电弓焊接试样中焊缝材料的疲劳裂纹扩展速率参数。
3.根据权利要求2所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤S11中得到累计加载次数和受电弓焊接试样的裂纹长度的具体方法为：
A1、通过显微镜观测受电弓焊接试样表面；
A2、在受电弓焊接试样表面未出现裂纹时，将观测间隔设置为十万次加载次数；
A3、在显微镜下观测到受电弓焊接试样的表面出现疲劳裂纹时，将观测间隔设置为五万次加载次数，记录累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度；
A4、根据受电弓焊接试样的裂纹长度的扩展，逐步降低观测间隔，记录累计加载次数和对应的受电弓焊接试样的裂纹长度。
4.根据权利要求1所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤S3中定义受电弓结构初始缺陷的形状、位置以及尺寸的具体方法为：
C1、定义受电弓的裂纹为表面裂纹，该裂纹将沿着管壁厚度方向上扩展直至穿透管壁，随后以穿透裂纹的形式沿管道环向方向扩展；
C2、根据观测得到疲劳裂纹萌生于受电弓上框架尾部的焊趾部位，将初始裂纹位置选取为上框架焊缝处的高应力区域；
C3、取初始表面裂纹的长度为2mm，取长宽比为1可得到初始表面裂纹在深度方向上的尺寸为1mm，得到受电弓结构初始尺寸。
5.根据权利要求1所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤S4中构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线的方法为：
D1、对受电弓上框架简化有限元模型加载等效载荷，采用Franc3D计算受电弓上框架简化有限元模型的应力强度因子；
D2、根据裂纹前缘的应力强度因子分布，计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载次数的局部裂纹扩展距离；
D3、根据每一个节点在下一个加载次数的局部裂纹扩展距离，构造裂纹长度a与应力强度因子K之间的关系曲线。
6.根据权利要求5所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤D2中计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载循环的局部裂纹扩展距离的公式为：
Figure FDA0003466550930000031
其中，Δai为第i个节点的裂纹扩展增量，Δachar为裂纹前缘某一特征点的局部裂纹扩展增量，ΔKi为裂纹前缘第i个节点的应力强度因子幅值，ΔKchar为特征点的应力强度因子幅值，m为Paris公式参数。
7.根据权利要求5所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤D2中计算裂纹前缘每一个节点在下一个加载循环的局部裂纹扩展距离的公式为：
Δai＝ΔNC(ΔKi)m
其中，ΔKi为裂纹前缘第i个节点的应力强度因子幅值，C和m为Paris公式参数，即疲劳裂纹扩展速率参数，ΔN为一个加载循环中的加载次数，Δai为第i个节点的裂纹扩展增量。
8.根据权利要求1所述的受电弓疲劳裂纹扩展寿命的预测方法，其特征在于，所述步骤S4中疲劳裂纹扩展寿命模型为：
Figure FDA0003466550930000041
其中，O为疲劳裂纹扩展寿命，a0为初始裂纹长度，af为终止裂纹长度，C和m为Paris公式参数，ΔK为应力强度因子变换范围。
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